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土木工程材料 许孝春 1992年武汉理工大学毕业 92-96年工作于佛山新达陶瓷公司 96年至今从事工程材料的教学 联系电话： 13972658356 绪 论 • 要求： 掌握本课程在专业中的作用与地位 。建材的分类。掌握学习方法 • （一）、定义 • 凡是用于地基、地面、墙体、屋顶的各种 构件和结构体 并最终构成建筑物的材料都 属于建筑材料。也就是建筑工程中所使用 的各种材料及其制品的总称。它是一切建 筑工程的物质基础。 （二）、分类 • 分类的方法很多，如按化学组成、使用性能等划分 • 简单了解一下使用性能的分类，可划分为如下三类： • 建筑结构材料： • 构成建筑物受力构件和结构所用的材料，如梁、板、柱等，建筑业对其技 术性能要求主要是强度和耐久性。 • 我国建筑工程中的主要结构材料，原因如下： • 原材料丰富、便宜、节能、产品耐压强度高、耐久性能好。 • 墙体材料： • 凡是最终构成建筑物墙体的材料，就是墙体材料。 • 可分为承重墙和非承重墙两类。 • 我国目前用的最多的是各种砖类，主要是粘土砖，中国 90 %、美国 9 %、 日本 3 %。 • 建筑功能材料： • 担负某些建筑功能的非承重的材料，如装潢、采光、防水、隔热、隔音、 保温、吸声等材料，花样繁多，功能各异。 • （三）、建筑材料的地位 • （四）、建筑材料的发展趋势： • 轻质、高强、防火、无毒、多能、适用、 量大、耐久、价廉。 • （五）、建筑物的要求： （ 1）可靠性与安全度：取决于建筑结构材 料与结构体系。 （ 2）使用功能与建筑质量：取决于建筑功能材料 。 • （六）、建材的发展 • 人类最初的穴居、到会烧砖、瓦，用岩石 烧石灰、石膏，到 18、 19世纪资本主义兴起， 钢材、水泥、混凝土等的相继问世，到功能材 料、特殊材料的问世，到智能材料的出现。 • （七）、建筑材料的标准： • 国家标准、部级标准、地方标准、企业标准。 随着我国的入世，有国际标准、外国标准。 – 本课程的基本要求： • 掌握工业和民用建筑中常用建筑材料的品种、 规格性能及应用，了解材料在储运、验收中的 有关问题。 • 掌握常用建筑材料的主要性质、材料的组成、 结构与性质的关系，了解建筑材料的原料、生 产工艺过程及其对性质的影响。 • 了解节约材料、改善性能及防护处理的原则。 • 熟悉常用建筑材料的试验方法。 • 了解建筑材料发展的动向。 • （八） “如何教学 ”的个人感受 • 同学们上课要认真听课、做好笔记。对所学内 容要联系实际来记忆，多记忆。对本课程的学 习态度必须端正。做好实验。 • 本课程作为工程类专业的基础课，将通过课堂 教学，结合现行的技术标准，以工程材料的性 能及合理使用为中心，进行系统讲述。同时还 安排有实验课。在学习过程中，要注意了解事 物的本质和内在联系。如学习某种材料的性质 时，不能只满足了解该材料的具有哪些性质， 更要了解它为什么具有这些性质、这些性质之 间有什么相互关系。 绪论（道桥） 一、道路建筑材料的主要类型 （ 1）、道路工程结构对材料的要求 （ 2）、道路建筑材料的主要类型 二、道路建筑材料的研究内容 （ 1）、道路建筑材料的基本组成与结构 （ 2）、道路建筑材料的基本技术性能 （ 3）、混合料的组成设计方法 三、道路建筑材料的性能检测与技术标准 （ 1）、材料的性能检测 （ 2）、技术标准 一、道路建筑材料的主要类型 1、路桥工程结构对材料的要求 （掌握） （ 1）、道路工程结构用材料 由于行车荷载和自然因素对道路路面结构的 作用程度随深度的增加而逐渐减弱，对建 筑材料的强度、承载能力和稳定性要求也 随深度的增加而逐渐降低。因此，根据这 一特点，将路面结构由上而下分为面层、 基层和垫层等多层体系，并分别采用不同 质量、不同规格的材料。如下： A、面层 因直接承受行车荷载作用，并暴露于大气层，温度与湿度 会直接影响，故对其有足够的强度、稳定性、耐久性和 良好的表面特性的要求。 常用材料：沥青混合料、水泥混凝土、粒料、块料 B、基层 主要作用是承载并分散面层传递下来的竖向应力，因此应 该有足够的强度、刚度和扩散应力的能力。另外，还应 该有足够的水稳定性和耐冲刷性。 常用材料：结合料稳定类混合料、碎石或砾石混合料、天 然沙砾、碾压混凝土和贫混凝土、沥青稳定集料等。 C、垫层 主要作用是改善路基的湿度和温度状况，分散基层传递的 荷载应力，保证面层和基层的稳定和抗冻能力。要求要 有足够的水稳定性。 常用材料：碎石或砾石混合料、结合料稳定类混合料等 （ 2）桥梁工程结构用材料 （掌握） 桥梁的墩、桩结构 要求：足够的强度和承载能力、良好的抗渗 、抗冻和抗腐蚀能力。 桥梁的上部结构 直接受行车荷载、自然环境的作用，因此应 有足够的强度、抗冲击性、耐久性。 常用材料：钢材、水泥混凝土、钢筋混凝土 、桥面沥青混合料、各种防水材料 2、道路建筑材料的主要类型 （掌握） 由上面的知识可以知道，道路建筑材料的主要类型可分为 ： 1、石料与集料 2、结合料与聚合物类 3、沥青混合料 4、水泥混凝土与砂浆 5、无机结合料稳定类混合料 6、其它道路建筑材料 二、道路建筑材料的研究内容 （ 1）、道路建筑材料的基本组成与结构 材料的矿物组成或化学成分及其组成结构决定了材料的基 本特性。 举几个例子： A、花岗岩与大理石 前者的主要矿物组成是二氧化硅，后者的主要矿物组成是 碳酸钙，其性质相差甚远 B、钢材与木材、石灰与混凝土的化学成分完全不同，性 质也完全不同 C、沥青混凝土与水泥混凝土的组成结构不同，性质差异 就很大 （ 2）、道路建筑材料的基本技术性能 只有全面掌握材料的性能影响因素、变化规律，才能正确 评价材料的性能、才可能合理选择和使用材料，保证工 程质量。要求我们掌握材料的基本技术性能主要有： （ 掌握） A、基本的物理性质 比如密度、孔隙率、吸水率等，它们与材料的性质密切相 关。 B、基本的力学性质 比如强度、脆性、塑性、韧性、硬度、耐磨性等。 C、耐久性 比如温度变化、冻融循环、氧化、酸碱腐蚀、紫外线照射 等。 D、工艺性 是指材料是否适合于按一定工艺要求加工的性能。比如钢 材，其栓接、铆接、焊接、冷弯加工。 （ 3）、混合料的组成设计方法 混合料的组成结构对其性能有重大影响，而其组成结构取 决于所选的原材料及其用量比例。因此，必须掌握所选 原材料的性能，并掌握用量比例对混合料性能的影响， 才能正确设计混合料的组成，保证工程质量。 三、道路建筑材料的性能检测与技 术标准 （ 1）、材料的性能检测 材料的基本技术性质是通过适当的检测手段来确定的，比 如材料的密度、吸水率、强度、耐久性等。根据工程的 重要性与材料的试验规模，材料的检测分为三个层次： A、实验室原材料与混合料的性能测定 B、实验室模拟结构物的性能测定 C、现场足尺寸结构物的性能测定 （三个层次要记住） （ 2）、技术标准 目前我国建筑材料的标准分为：国家标准、行业标准、地 方标准、企业标准等四类。 国际上较有影响的技术标准有：国际标准（ ISO）、美国 材料试验学会标准（ ASTM）、日本工业标准（ JIS）、 英国标准（ BS）等 第一章、石料与集料 • 内容提要： 本章介绍石料岩石学特征、主要技术性能 （物理性能、力学性能）及主要评价方法 与评价指标；集料的级配概念与级配理论 ；混合料配合比设计方法；石料与集料在 道路工程中的应用。 第一节 石料 道路工程中所使用的石料一般是天然石料 ，开采出来未经加工就直接使用的叫毛石 。 这一节里，介绍了四个方面的内容： 一、石料的岩石学内容 二、石料的物理性质 三、石料的力学性质 四、石料的技术标准 （一）、天然石料的特点 （了解） 1、蕴藏量丰富，分布广便于就地取材； 2、石材结构致密，抗压强度高，可达 aMpa以上 ； 3、耐水性好； 4、耐磨性好； 5、装饰性好，纹理自然，质感稳重、庄严，雄伟 的艺术感； 6、耐久性好，可达 a年以上。 缺点：质地坚硬，加工困难，自重大，开采运 输不方便。 （二）、岩石的形成与分类 （了解） 各种造岩矿物在不同的地质条件下形成不同类型的岩石，分为三 类： ① 火成岩： 又分为： 深成岩： 如花岗岩； 喷出岩： 如玄武岩； 火山岩： 如火山灰、浮石等。 花岗岩的特点：距地表深，致密度高，比重大，强度高，吸水 小，抗冻，耐磨，耐久。 ② 沉积岩： 如石灰岩（青石）； 石灰岩的特点：离地表浅，易开采，结构致密性较差，比重小 强度较低，耐久性差，孔隙率及吸水率均较大。 ③ 变质岩 : 是由原生的火山岩或变质岩，经地壳内部高温、高压作用后形 成的。如花岗岩变质成片麻岩，易分层剥落，耐久性变差；但 沉积岩变质后，性能变好更致密耐久，如石灰岩变成大理石。 （三）、常见的造岩矿物及其颜色、特征 （了解） 造岩 矿 物 颜 色 特 性 长石 白、浅灰、桃红、红、青、暗灰 风化慢 石英 无色透明 性能稳定 云母 无色透明至黑色 易裂成薄片 角闪石、辉绿石、 橄榄石 深绿、棕色、黑色 开光性好、耐久性好 方解石 白色、灰色 开光性好，易溶于含 CO2的水中 白云石 白色、灰色 同上 黄铁矿 金黄色（二氧化硫） 为有害杂质，遇水及氧生成硫酸，污染及破坏岩石 （四）、常用的岩石类型 （记住） 1、花岗岩 2、玄武岩 3、辉长岩 4、石灰岩 5、砂岩 6、石英岩 7、片麻岩 二、石料的物理性质 （掌握） 1、物理常数 A、密度 真实密度（绝对密度） 表观密度（除去开口孔的密度） 毛体积密度（包括开口孔的密度） 致密度（毛体积密度与真实密度的比值） 孔隙率（ 1- 致密度） B、吸水率（饱和吸水的重量与干燥材料质量之比 ） C、抗冻性 材料在饱和水的状态下，能够经受反复冻融而 不破坏，并不严重降低强度的性能叫抗冻性 。测定方法有直接冻融法和坚固性试验，步 骤如下： • 试件制作并测定： 将石料制作成边长为 5cm的立方体或直径与高均为 5cm的圆柱体，并在 105±5℃ 的温度下烘干至恒温 ，再在干燥器内冷却至室温，称重（ m0； g）；测 定其强度（ R0； MPa） • 试验 A、直接冻融法 先使试件饱和吸水，在 -15 ℃ 的冰箱中冷冻 4h，再在 20 ±5℃ 的水中溶解 4h,这叫做一个冻融循环。经历规定的 次数（ 5、 10、 15、 25、 50次）后计算质量损失率 Q冻 和冻融系数 K。 B、坚固性试验 将试件在饱和硫酸钠溶液中浸泡 20h后，再在 105 -110℃ 的烘箱中烘烤 4h，这叫做一个循环。冷却至室温后进行 第二个循环。从第二个循环开始，每次浸泡和烘烤时间 均为 4h；完成 5次后计算质量损失率。 • 计算 公式： Q冻 =（ m0 – m1 ） ÷ m0×a% K= R1 ÷ R0×a% • 标定 一般以质量损失率及强度损失率分别不超过 5%和 25%为准 三、石料的力学性质 • 总体来说，石料要求有一定的抗压、抗剪、抗冲击 、抗摩擦的能力，其中，以抗压和抗摩擦作为评价 石料技术等级的指标。 • 抗压强度 A、路面用石料的尺寸为边长为 5±0.2cm的立方体或直径与 高均为 5±0.2cm的圆柱体 B、桥梁用石料尺寸为 7±0.2cm的立方体 计算： R=P/A 影响因素：矿物组成、结构、孔隙特征、吸水率 • 磨耗率 有洛杉矶磨耗试验、狄法尔磨耗试验、道瑞磨耗试验 （ P12页 ）， 一般采用第三种方法。 计算： Q磨 =（ m0 – m1 ） ÷ m0×a% 四、石料的技术标准 要求大家记住： 1、路用石料分岩浆岩类、石灰岩类、砂 岩与片麻岩类、砾岩四类 2、每类按饱水抗压强度、洛杉矶法和 狄法 尔磨耗率三个指标分成四个等级 3、一级为最坚强岩石、二级为坚强岩石、三级 为中等强度岩石、四级为较软岩石 根据工程实际选用岩石。 第二节 集料 • 集料由不同粒径的矿质颗粒组成的混合料 ，包括天然砂、人工砂、卵石和碎石、工 业废渣等。 • 粗、细集料的粒径界限，水泥混凝土为 4.75mm，沥青混凝土为 2.36mm。 • 软质岩石、风化岩石不能做集料。 • 粗细集料分别起骨架和填充作用，技术要 求因此也有所不同。